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煤礦保護(hù)層開(kāi)采，也叫解放層開(kāi)采，它是首先開(kāi)采與突出煤層鄰近而又無(wú)突出危險(xiǎn)的煤層即保護(hù)層，由于采動(dòng)影響而使突出煤層瓦斯壓力、瓦斯含量大幅降低，煤層透氣性顯著提高，大量高壓瓦斯釋放從而消除突出煤層的突出危險(xiǎn)。開(kāi)采保護(hù)層迄今為止是防突上最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性措施。
煤礦保護(hù)層開(kāi)采是區(qū)域性防突與瓦斯治理最有效途徑
川煤芙蓉公司白皎煤礦，從2010年3月開(kāi)始開(kāi)采2421保護(hù)層工作面，到2011年12月2441保護(hù)層工作面回采結(jié)束，兩塊工作面生產(chǎn)原煤51.6萬(wàn)t，開(kāi)采面積13.9萬(wàn)㎡，大大縮短了下覆強(qiáng)突煤層治災(zāi)周期，從根本上防止煤與瓦斯突出，實(shí)施采掘機(jī)械化，緩解采掘接替，提高煤炭資源回收率，提升礦井經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)和本質(zhì)安全，增加礦井經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益創(chuàng)造出了一條新路，在綜合采煤機(jī)械化方面得到了較快發(fā)展，并逐步走向成熟，已具備了機(jī)械化開(kāi)采保護(hù)層，為實(shí)現(xiàn)礦井安全、高產(chǎn)、高效創(chuàng)造了條件。煤礦保護(hù)層開(kāi)采是區(qū)域性防突與瓦斯治理最有效途徑。
川煤芙蓉公司白皎煤礦在開(kāi)采過(guò)程中存在礦井瓦斯參數(shù)的特點(diǎn)是極不均勻，煤層瓦斯壓力最小為測(cè)不到0以上的數(shù)，最大為3.2MPa；煤層瓦斯透氣性系數(shù)，最小測(cè)不到0以上的數(shù)，最大為0.29m/(MPa2•d)；穿層鉆孔瓦斯自排量，最小測(cè)不到0以上的數(shù)，最大為27.3L/min；煤層堅(jiān)固性系數(shù)f ，最小的為0.25，最大的則大于4。由于煤層瓦斯參數(shù)的極不均勻，才使煤層的突出危險(xiǎn)性大為增加，雖然瓦斯壓力不高，但突出特別嚴(yán)重，而且難于治理。
礦井煤層均具有自然發(fā)火傾向，發(fā)火期一般3～8個(gè)月。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從投產(chǎn)截止至2011年，共發(fā)生煤層自然發(fā)火130次，百萬(wàn)噸發(fā)火率近5.1次。因發(fā)火封閉采煤工作面39次。煤層雖為無(wú)煙煤，但含硫量高，一般＞3%，最高8.75%；兩層主采煤層間距小，最小為合層。首采的上層突出煤層，由于采用密集鉆孔大面積預(yù)抽瓦斯防治煤與瓦斯突出，煤層水分降低、開(kāi)采過(guò)程中漏風(fēng)，且開(kāi)采過(guò)程中盡可能不留或少留煤柱。次采的四號(hào)煤層(被保護(hù)層)具有較強(qiáng)自然發(fā)火威脅，且伴生其它此生災(zāi)害，治理難度大大增加。采掘工作面要實(shí)現(xiàn)“三區(qū)(段)配套兩超前”，“掘、抽、采”和“采、抽、掘”的平衡，達(dá)到部署上拉開(kāi)、系統(tǒng)上獨(dú)立。因此，往往四個(gè)采區(qū)同時(shí)生產(chǎn)；礦井有15～20個(gè)掘進(jìn)工作面、3～5個(gè)回采工作面，幾百個(gè)通風(fēng)設(shè)施。形成大范圍的幾百條分支，特別復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)。大大增加防治遺留碎煤發(fā)火的難度礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要以中、小型斷層為主，其中小斷層極為發(fā)育。至今共查明大小斷層925條,總長(zhǎng)度為108.892km，礦井 35(km)2 范圍內(nèi)斷層密度為 26.4條/km2, 長(zhǎng)度 1570條/km2。在儲(chǔ)量計(jì)算有效面積27km2以 內(nèi)，為34.3條/km2, 長(zhǎng)度3822m/km2。落差20m 以上的斷層4條,占0.43%。 落差在 10～20m 斷層9條,占0.97%。揭露2～10m落差的斷層132條,占總條數(shù)的84.32%。小于2m落差的斷層780條,占總條數(shù)的84.32%，這類斷層破壞煤體結(jié)構(gòu),使煤層復(fù)雜化。所以絕大部分為隱伏斷層，且逆斷層較多。煤層層滑構(gòu)造(順層滑動(dòng))，可使煤層增厚,亦可使煤層變薄尖滅，還可導(dǎo)致煤層層間距變薄,使煤層回采相當(dāng)困難。另外層滑構(gòu)造還能導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)破壞，造成瓦斯聚集或煤與瓦斯突出。
采取抽采鉆孔對(duì)煤層賦存和地質(zhì)構(gòu)造取得一定成效，但其施工周期長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制難度高，布孔較難均勻，終孔到位率低。特別是遇地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存變化后，預(yù)抽控制區(qū)域內(nèi)易出現(xiàn)“空檔”和“盲區(qū)”；加之各主采煤層物理特性均為低滲透性，平均煤體噸煤瓦斯含量15.5m3/t，通過(guò)預(yù)抽降至8.0m3/t以下，需3～7年；平均煤層瓦斯壓力2.8MPa，經(jīng)過(guò)預(yù)抽瓦斯降至0.74MPa以下，需3～8年；同時(shí)，預(yù)抽量逐漸衰減，一年后僅單孔流量5l/min,濃度也大幅度下降，抽采效果急劇降低。最終形成預(yù)抽時(shí)間嚴(yán)重滯后，工作面準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，采掘接替緊張，在綜掘、采煤機(jī)械化的普及應(yīng)用的今天，掣肘生產(chǎn)更為顯著。預(yù)抽煤層瓦斯防突的實(shí)踐證明，以應(yīng)力為主的突出，即使是預(yù)抽煤層瓦斯含量的70%，采掘活動(dòng)中仍發(fā)生煤與瓦斯突出。
開(kāi)采保護(hù)層有效消除煤與瓦斯突出
川煤芙蓉公司白皎煤礦煤與瓦斯突出十分嚴(yán)重，是“國(guó)內(nèi)有代表性的嚴(yán)重突出礦井”之一的礦井，開(kāi)采的B2、B3、B4(或稱為四、三、二號(hào))煤層均為強(qiáng)突煤層，礦井投產(chǎn)至今累計(jì)發(fā)生煤與瓦斯突出230次（年均突出5.7次），占四川省突出總數(shù)的75%。其中：特大型突出7次，最大一次突出煤量2777t，突出瓦斯量497513m3，突出瓦斯逆流最遠(yuǎn)距離1340m。開(kāi)采保護(hù)層后，在被保護(hù)層的有效范圍內(nèi)，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量大大下降，分別遠(yuǎn)低于0.74MPa和8m3/t。在被保護(hù)層范圍內(nèi)掘進(jìn)，不但沒(méi)有任何動(dòng)力現(xiàn)象的一點(diǎn)征兆，且瓦斯涌出量特別小。當(dāng)揭穿被保護(hù)的二、三、四煤層時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量最大僅0.89m³/min。在這三層煤內(nèi)掘進(jìn)，完全可以實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)和回采，為突出礦井的安全、高效生產(chǎn)起到了示范作用。
該礦從2008年，對(duì)2421、2441保護(hù)層工作面開(kāi)始論證，到2010年3月2421保護(hù)層工作面為該采區(qū)首采面，采用下行式開(kāi)采，無(wú)下鄰近煤層開(kāi)采影響。上下及鄰近500m范圍內(nèi)也無(wú)工作面布置及開(kāi)采，無(wú)老窯及采空區(qū)影響。通過(guò)在工作面掘進(jìn)施工落煤期間的煤層瓦斯涌出量分析，煤層瓦斯涌出量約為煤層瓦斯含量的60～70%，經(jīng)計(jì)算C2煤層瓦斯含量約為5.43m3/t。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》（AQ1026—2006）中規(guī)定：當(dāng)煤層瓦斯含量小于8 m3/t或煤層瓦斯壓力低于0.74Mpa時(shí)煤層無(wú)突出危險(xiǎn)性。根據(jù)掘進(jìn)落煤期間的瓦斯涌出情況，預(yù)計(jì)2421工作面回采割煤過(guò)程中本煤層噸煤瓦斯涌出量為3.26m3/t，按正常推進(jìn)日產(chǎn)670t計(jì)算，則本煤層瓦斯涌出量為1.52 m3/min。
選一號(hào)煤層作為保護(hù)層首先開(kāi)采后，直接利用底板抽采瓦斯巷道，施工向上穿層鉆孔抽采被保護(hù)層的卸壓瓦斯，達(dá)到保護(hù)層的安全開(kāi)采和消除突出煤層的突出危險(xiǎn)性。有效消除煤與瓦斯突出，增加卸壓瓦斯開(kāi)發(fā)量，不僅獲得到年1300多萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益，而且環(huán)境效益和安全效益也特別顯著，能夠在技術(shù)與安全上確保24采區(qū)其它后續(xù)保護(hù)層工作面開(kāi)采的順利實(shí)施，縮短其工作面準(zhǔn)備時(shí)間，大幅緩解采掘緊張關(guān)系，具有投資風(fēng)險(xiǎn)小、綜合效益高的特點(diǎn)，特別有利于礦井中長(zhǎng)期的發(fā)展。
據(jù)悉，該礦開(kāi)采2421保護(hù)層工作面過(guò)程中還與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作研究運(yùn)用切頂卸壓沿空成巷無(wú)煤柱開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)原理，進(jìn)行了沿空成巷設(shè)計(jì)，研究了成巷工藝，實(shí)現(xiàn)機(jī)巷沿空切頂留巷，用理論研究成果所確定的切頂卸壓沿空成巷技術(shù)原理及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)層綜采面開(kāi)采高產(chǎn)高效、無(wú)煤柱開(kāi)采，從根本上消除因保護(hù)層開(kāi)采留設(shè)煤柱所帶來(lái)的被保護(hù)層煤與瓦斯突出、煤柱自然發(fā)火、應(yīng)力集中引起的下覆巷道難維護(hù)等技術(shù)難題，為全面提高保護(hù)層開(kāi)采，消除突出效果奠定了基礎(chǔ)。
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